Il dottor Amir Asadi, professore assistente presso il Dipartimento di ingegneria tecnologica e distribuzione industriale della Texas A&M University, sta facendo passi da gigante nel campo dei materiali compositi. La sua ricerca esplora l'inclusione di nanostrutture modellate composte da più materiali in compositi ad alte prestazioni per ottenere la multifunzionalità desiderata senza sacrificare altre proprietà. Ciò potrebbe portare a progressi in vari campi, tra cui l'elettronica, lo stoccaggio dell'energia, i trasporti e i prodotti di consumo.
Il lavoro di Asadi ha implicazioni significative, poiché affronta la sfida di migliorare contemporaneamente due proprietà – multifunzionalità e integrità strutturale – nei materiali compositi, che consistono in almeno due materiali con proprietà diverse. Incorporando nanostrutture modellate, mira a superare il compromesso tipicamente osservato tra queste proprietà, eliminando la necessità di sacrificarne una per migliorare l'altra negli attuali metodi di produzione. Il lavoro è pubblicato sulla rivista Advanced Materials .
Spiega:"Attualmente, produrre materiali con funzionalità e prestazioni strutturali massimizzate contemporaneamente è considerato paradossale. Ad esempio, l'aumento della conduttività elettrica spesso riduce la resistenza o viceversa; l'aumento della resistenza di solito diminuisce la resistenza alla frattura."
Tuttavia, Asadi trae ispirazione da strutture naturali, come la proboscide dell'elefante, che possiede proprietà e funzionalità apparentemente incompatibili.
"Esistono già strutture naturali con proprietà considerate incompatibili nell'ingegneria odierna, come la proboscide di un elefante che è allo stesso tempo rigida e forte ma anche flessibile e delicata per gestire piccole verdure pur avendo funzionalità di comunicazione e rilevamento, tutte derivanti dalla sua architettura muscolare idrostatica."
Il gruppo di ricerca ha utilizzato un metodo unico per regolare la quantità di acqua che un materiale assorbe o respinge, noto come grado di anfifilicità, in più nanomateriali. Utilizzando questi materiali, hanno creato e combinato modelli specifici chiamati modelli ad anello e a disco, che governano le proprietà finali dei materiali compositi.
A tale scopo hanno utilizzato un preciso sistema di spruzzatura con anidride carbonica (CO2 ) per depositare i motivi sulla superficie delle fibre di carbonio. Ciò ha permesso loro di controllare la dimensione delle goccioline, i modelli su scala microscopica e le interazioni dei materiali, ottenendo infine le proprietà desiderate. In questo studio, le gocce d'acqua hanno trasportato i nanomateriali sulla superficie delle fibre di carbonio utilizzando il sistema di spruzzatura.
"Abbiamo sviluppato una nuova tecnica di spruzzatura, denominata CO2 supercritica atomizzazione assistita, che sfrutta le proprietà della CO2 supercritica e la sua elevata dissoluzione in acqua che può creare diverse piccole goccioline all'interno di una sospensione composta da acqua e nanomateriali", ha affermato il dottor Dorrin Jarrahbashi, coautore dell'articolo della rivista del gruppo, "Multifunctionality Through Embedding Patterned Nanostructures in High-Performance Composites".
"A differenza degli approcci convenzionali in cui materiali con proprietà intrinseche desiderate vengono integrati per aggiungere funzionalità, questa ricerca introduce il concetto di integrazione di nanomodelli e mostra che modelli diversi dello stesso materiale porteranno a proprietà diverse nei compositi su macroscala", ha affermato Asadi. "Se l'obiettivo è il miglioramento simultaneo della funzionalità e delle proprietà strutturali, i modelli possono essere combinati e migliorare sinergicamente tutte le proprietà desiderate."
Ci sono vari vantaggi nell'approccio di Asadi. Offre un metodo pratico, scalabile ed economicamente sostenibile per creare materiali e componenti nanostrutturati con proprietà sintonizzabili. L'uso di materiali diversi e il controllo preciso dell'architettura su scale di lunghezza multipla migliorano la versatilità e il potenziale di personalizzazione dei compositi.
Con il progredire della ricerca, il lavoro di Asadi probabilmente rivoluzionerà la produzione di compositi ad alte prestazioni.
L’impatto potenziale di questa ricerca si estende oltre la comunità scientifica. "La ricerca è promettente per avere un impatto sulla vita", ha affermato Asadi. "La tecnica semplice ma scalabile introdotta ridurrà il costo finale di dispositivi complessi e complessi e amplierà la produzione di compositi nanostrutturati, contribuendo all'economia e al mercato del lavoro degli Stati Uniti. Ciò potrebbe portare a dispositivi migliorati, sistemi energetici più efficienti e prodotti innovativi che migliorano vita di tutti i giorni."
Ulteriori informazioni: Ozge Kaynan et al, Multifunzionalità attraverso l'inclusione di nanostrutture modellate in compositi ad alte prestazioni, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202300948
Informazioni sul giornale: Materiali avanzati
Fornito dalla Texas A&M University
